人工冻土三轴剪切特性及弹塑性本构模型研究

摘要

近年来，随着寒区工业和农业的快速发展以及冻结法施工技术在工程上的推广和应用，对冻土的研究越来越显示出它的重要性。目前，冻结法已被广泛应用在我国不稳定地层的凿井工程中。然而随着不稳定地层中冻结凿井深度的增大，工程上出现了一些新的挑战。工程界日益认识到充分掌握人工冻土的力学性质是解决这些难题的当务之急，特别是对冻土的本构关系进行了重点试验研究。本文正是基于此对人工冻结黏土的三轴剪切特性进行研究，得出了冻土的双屈服面模型。本文研究成果无论是在理论上还是在工程应用上，都具有重要的参考价值。
　　本文主要的研究工作包括:
　　1.本文利用安徽理工大学冻土研究所自行研制的W3Z-200型电液伺服三轴试验机对冻结黏土进行力学试验，包括不同温度、不同围压下的三轴剪切试验。试验表明:不同条件下的应力-应变曲线基本呈抛物线状。随着轴应变的增大，在轴向应变ε≤(1.0％～4.5％）时，主应力差迅速增长，而且此阶段曲线呈近似直线，表现为一定的弹性性状，说明冻土此时可以看成是弹性体;当主应力差较大时冻土应力—应变呈明显的非线性，冻土为塑性体。
　　2.本文假定正常固结黏土在受荷载的过程中具有唯一的p-q-e关系，介绍了弹塑性模型的能量方程、屈服面方程及其本构方程的建立，并且对弹塑性模型里面的参数进行了进一步解释说明，最后验证了该模型的合理性，发现该模型存在一定的局限性。
　　3.考虑到单屈服面模型不仅受到传统塑性位势理论的限制，而且没有充分考虑剪切变形，本文增加了一个以塑性剪应变做硬化参量的剪切屈服面，由此提出了冻结黏土的双屈服面本构模型。通过对多组试验结果的弹塑性模型模拟，表明本文建立的模型与试验结果吻合，具有较为广泛的适用性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 国内外的研究动态

1．2．1 人工冻结法的应用与研究现状

1．2．2 土的弹塑性本构关系研究现状

1．31 研究内容、方法及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 冻土三轴剪切试验

2．1 W3Z-200型三轴试验机

2．1．1 冻土三轴仪简介

2．1．2 试验机控制系统

2．2 三轴剪切试验

2．2．1 试样制备

2．2．2 装夹试样

2．2．3 试验操作

2．2．4 试验方案

2．2．5 试验结果

2．3 试验结果分析

3 人工冻结黏土弹塑性本构模型理论

3．1 弹塑性本构模型的基本理论

3．1．2 硬化规律

3．1．2 流动法则

3．2 弹塑性模型的提出

3．2．1 能量方程

3．2．2 屈服面方程

3．2．3 本构方程的建立

3．3 模型验证

3．4 小结

4 考虑剪切变形的冻结黏土双屈服面模型

4．1 引言

4．2 冻结黏土的双屈服面模型

4．2．1 变形分解

4．2．2 屈服函数

4．2．3 塑性势函数

4．2．4 硬化准则

4．2．5 双屈服面本构模型

4．3 本构方程的数值积分

4．3．1 显式积分格式

4．3．2 隐式积分格式

4．4 模型验证

4．4．1 模型参数的确定方法

4．4．2 模型验证

4．5 小结

5 结论与展望

5．1 本文工作总结

5．1 后续研究工作展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果